DE102020001668A1 - Adapter für Regler von Kraftmaschine mit Möglichkeit für individuelle Anpassung - Google Patents

Abstract

Der Regler bestimmt die Menge von Energieträgern (Gas, Strom etc.) womit in einer Maschine (z.B. Motor) ein Effekt (z.B.Umdrehungen) erzeugt wird. Bekanntlich ist die Größe des erreichten Effektes von der Kombination Maschinenleistung/Last abhängig. Der Normalnutzer aber ist selten in der Lage, in jeder Situation richtig zu regeln d.h. per Hand/Fuß die optimale Regelung für alle mögliche Kombinationen von Motor/Last zu liefern.Bisher bekannte Lösungen dieses Problems beziehen sich ausschließlich auf die visuelle Wahrnehmung, d.h. der Nutzer soll anhand der Anzeigen auf den Messgeräten die Regelung vornehmen. Dieses Verfahren ist leider für den Nutzer so umständlich,, dass es in der Praxis kaum angewendet wird.Die neue Lösung:Sollte vom Motor eine höhere Leistung gefordert werden, erhöht der Fahrer den Druck auf den Regler (mittels Hand,Fuß o. ä). In diesem Fall generiert der Adapter eine zusätzliche Gegenkraft, die die Wirkung der Rückholfeder verstärkt.Die anfängliche Größe dieser Kraft entspricht direkt proportional der Stärke der Änderung der Lage des Reglers und schwindet im Laufe der Zeit entsprechend dem erreichten Effekt (z.B. der Beschleunigung bei einem Fahrzeug). Die Lösung wurde realisiert und erfolgreich erprobt.Dank dieser kann ein Nutzer optimal (d.h. auch bei unbekannten Fahrzeugen und Fahrstecken) die Möglichkeiten des Motors ausschöpfen.

Description

• Der Regler bestimmt die Menge von Energieträgern (Gas, Strom etc.) womit in einer Maschine (z.B. Motor) ein Effekt (z.B.Umdrehungen) erzeugt wird. Bekanntlich ist die Stärke des erreichten Effektes von der Kombination Maschinenleistung/Last abhängig. Diese Abhängigkeit ist aber dem normalen Nutzer sehr oft unklar, gewöhnlich betrachtet er den Regler rein als Proportionalregler d.h. er erwartet, dass jede Erhöhung der Menge des Energieträgers (d.h. erhöhter Druck auf dem Regler) sofort zur einen Steigerung des Effektes (z.B. Umdrehungszahl) führt (1). Dies ist aber nur gegeben, wenn die Motorleistung im Vergleich zur Last als unendlich groß betrachtet werden kann. In der Realität ist das praktisch nicht gegeben d.h. der Motor braucht eine gewisse Zeit, um den erwünschten Effekt (wenn er bei der vorhandenen Last überhaupt in der Lage ist) zu liefern. Dieses Verhalten soll aber unbedingt bei der Steuerung einer Maschine, bei deren Betrieb die Last ständig wechselt (z.B. Steile überwinden, Beschleunigen etc. bei einem Wagen) berücksichtigt werden. Will man die Umdrehungen erhöhen (z.B. die Geschwindigkeit soll steigen) und will der Nutzer die Reaktionszeit verkürzen, muss in der Energiezufuhr für eine gewisse Zeit ein Impuls erfolgen, um die Systemträgheit schneller zu überwinden (wobei der Motor in der Lage sein sollte, diese Energiestoß zu verarbeiten), um anschließend wieder in den Normalbetrieb d.h.in gleichbleibende Geschwindigkeit zurückkehren. Die optimale Steuerung der Energiezufuhr sollte also etwa die Form, die auf 2 angedeutet ist, aufweisen. Der Normalnutzer aber ist selten in der Lage, in jeder Situation richtig zu regeln d.h. per Hand/Fuß die optimale Regelung für alle mögliche Kombinationen von Motor/Last zu liefern. Das Hauptproblem dabei ist - die Rückholfeder des Reglers bietet wenig Gegenkraft an (sonst wird es für das Steuerorgan - ob Fuß oder Hand, über lange Zeit sehr kraftraubend), wobei sich der Nutzer allein anhand der räumlichen Stellung des Reglers bzw. anhand des Motorgeräusches (was eine lange Praxis bzw. Begabung voraussetzt) orientieren kann. Das Resultat - ein Normalnutzer regelt oft kontraproduktiv d.h. er überfordert den Motor (immer weiter auf das Gaspedal drücken, auch wenn die Geschwindigkeit nicht steigt, sondern sogar sinkt) und ist wegen des ausbleibenden Effektes unzufrieden. Dazu kommen die unangenehme Folgen durch Überforderung - erhöhter Verbrauch an Energieträgern (besonders kritisch bei eingeschränktem Vorrat wie bei einer Batterie), erhöhte Abnutzung des Motors durch Überhitzung bzw. Verkürzung des Lebensdauer der Batterie bei starke Strombelastung, stärkere Belastung der Umwelt durch die erhöhte Abgasmenge (Motor nicht optimal gesteuert).
• Bisher bekannte Lösungen dieses Problems beziehen sich ausschließlich auf die visuelle Wahrnehmung, d.h. der Nutzer soll anhand der Anzeigen auf den Messgeräten die Regelung vornehmen. Dieses Verfahren ist leider für den Nutzer so umständlich, d.h. belastend und ablenkend, dass es in der Praxis kaum angewendet wird.
• Die vorgeschlagene neue Lösung:
• Sollte vom Motor eine höhere Leistung gefordert werden, erhöht der Fahrer den Druck auf den Regler (mittels Hand,Fuß o. ä). In diesem Fall generiert der Adapter eine zusätzliche Gegenkraft, die die Wirkung der Rückholfeder verstärkt.Die anfängliche Größe dieser Kraft (individuell bestimmbar) entspricht direkt proportional der Stärke der Änderung der Lage des Reglers und schwindet im Laufe der Zeit entsprechend (auch individuell bestimmbar) dem erreichten Effekt (z.B. der Beschleunigung bei einem Fahrzeug) - nach dem Prinzip: je größer die Beschleunigung, um so schneller. Zum besseren Verständnis sei hinzugefügt: erfolgt die Änderung beim Regler sehr langsam oder ist die Last im Vergleich zur Motorleistung viel zu klein, bleibt die Gegenkraft verschwindend gering bzw. sie schwindet schnell.
• Im Normalfall zeigt die generierte Gegenkraft dem Nutzer, inwieweit der Motor den Befehl des Reglers befolgt (z.B die Umdrehungen erhöht) und ermöglicht demzufolge eine bessere Dosierbarkeit.
  Dabei kann der Nutzer von seiner Vorstellung ausgehen: mehr Druck bedeutet schneller zum Ziel, schwindende Gegenkraft bedeutet, der Motor gehorcht, bleibende Gegenkraft heißt, der Motor schafft es nicht (Last zu groß). Also - dank des Adapters entsteht eine Art Verbundenheit zwischen Mensch und Maschine, was den Genuss beim Fahren merklich erhöht.
• Auf dieser Weise wird in vielerlei Hinsicht eine Menge erreicht:
• - der Nutzer kann optimal (d.h. auch bei unbekannten Fahrzeugen und Fahrstecken) die Möglichkeiten des Motors ausschöpfen.
• - die Triebwerke arbeiten bei der so angepassten Regelung im optimalen Betrieb (eine Überforderung wird weitestgehend vermieden).
• - der Energieträger (Strom, Gas, Benzin, Diesel etc.) wird sparsam verbraucht d.h. Abgase und Abwärme werden reduziert.
• - die Lebensdauer der Batterie (elektrisch betriebene Triebwerke) wird durch die Begrenzung des Entladestromes verlängert.
• In der Praxis heißt das: der Nutzer drückt (Sensorsignal!) auf den Regler, wobei er zusätzlich zur Kraft der Rückholfeder auch die entsprechend generierte Gegenkraft überwinden muss. Der Motor erhöht seine Umdrehungen, die Beschleunigung steigt über einen festgelegten Stellenwert an, infolgedessen sinkt die Gegenkraft im Laufe Zeit. Ist der gewünschte Effekt (z.B. bestimmte Geschwindigkeit) erreicht worden, verringert der Nutzer intuitiv den Druck auf den Regler (Sensorsignal!) d.h. er lässt ihn unter der Einwirkung der noch vorhandenen Gegenkraft zurückgehen, und die Leistung kann infolgedessen auf die erwünschte Größe reduziert werden. Dabei muss er im Normalfall nur dem Druck von der Rückholfeder standhalten. Also kann der Fahrer den Energiefluss intuitiv optimal regeln - wie auf Skizze 2 dargestellt ist.
• Entsteht durch das Eingreifen des Nutzers (z.B. durch Bremsen) oder durch Lastenänderung (z.B. Steigung) eine negative Beschleunigung (die Geschwindigkeit sinkt) oberhalb eines Schwellenwertes, erfolgt eine Verstärkung der Gegenkraft, was ein Signal für den Nutzer bedeutet aktiv zu werden, z. B. den Gang zu wechseln. Gleichzeitig wird die Funktion für die nächste Beschleunigung vorbereitet, indem der Regler in Richtung Leerlaufstellung bewegt wird.
• Beim Berechnen der Gegenkraft verwendet die eingesetzte Steuereinheit zusätzlich zu den Prozessinformationen (wie Beschleunigung, Regler gedrückt, Regler losgelassen) auch mehrere kundenspezifische Parameter (wie maximale Gegenkraft, wie schnell sie auf - bzw. abgebaut werden soll, Einsatzschwellen) . Diese werden vom Nutzer bestimmt, d.h. der Regler wird individualisiert. Bei einer digitalen Ausführung der Recheneinheit können die notwendigen Daten vom Nutzer des Reglers jedes mal neu eingegeben werden (z.B. per Stick oder per Funk). Auf dieser Weise hat er seinen gewohnten Regler überall zur Verfügung.
• Die Verkehrsbehörden erhalten auf dieser Weise auch die Möglichkeit, die Fahrweise des Fahrers zu beeinflussen - wenn innerhalb einer Gemeinde ein übertrieben sportlicher Einsatz des Fahrzeuges unerwünscht ist, könnte per Funk eine Erhöhung der Gegenkraft veranlasst werden, damit ein Spiel mit dem Gaspedal bzw. Kavalierstart oder gefährliche Überholmanöver entsprechend erschwert Bei einem Eingriff in die Steuerung eines Fahrzeuges ist aber unbedingt der Sicherheitsaspekt zu berücksichtigen - der Fahrer muss ständig d.h. auch bei allen anzunehmenden Software- oder Hardware-Fehlern, in der Lage sein, den Wagen zu beherrschen. Also - die generierte Gegenkraft muss so bemessen sein, dass sie vom Nutzerorgan (Fuß, Hand) im Notfall überwunden werden kann, der Adapter darf aber auch unter keinen Umständen die Bewegung des Reglers in Richtung Leerlauf behindern.
• Eine mögliche Ausführung, bei der diese Forderungen voll erfüllt ist, besteht aus einer entsprechend dimensionierten Feder, die über flexiblen (nur Zug möglich!) Verbindungen (Seil o.ä.) einerseits mit dem Regler und andererseits mit einem Referenzpunkt verbunden ist. Die Lage des Referenzpunktes liegt auf der Federachse und wird von der Recheneinheit, die einen Motor o.ä. steuert, bestimmt. Der Nutzer druckt auf dem Regler (z.B. Fahrpedal) und muss dabei die Federkraft, die von der Lage des Referenzpunktes abhängig ist (je weiter vom Regler, um so größer), überwinden. Bei der Wahl der Feder (die Federkraft ist ja im Notfall zu überwinden) sollen die Wünsche des Nutzers berücksichtigt werden (Feder austauschen oder/und Federvorspannen).
• In der Praxis sieht das so aus: der Nutzer drückt auf dem Fahrpedal wobei er auch die Feder ausdehnt. Wird den Wagen beschleunigt (d.h. Schwellenwert überschritten), verschiebt die Recheneinheit z.B. per Motor den Referenzpunkt mit einer Geschwindigkeit, die der aktuellen Beschleunigung entspricht, in Richtung Fahrpedal, infolgedessen die Gegenkraft abnimmt. Sollte der Fahrpedal seine Lage nicht weiter ändern, kommt ein Moment, wo die Gegenkraft auf Null geht d.h. im Aktion bleibt nur die Rückholfeder. Normalerweise aber wird dieser Zustand selten erreicht - der Nutzer hat normalerweise sein Ziel (bestimmte Geschwindigkeit) vorher erreicht und (unter der Druck der Feder) lässt das Fahrpedal solange zurückgehen, bis er durch Gegendruck einen Halt erzwingt.
• Die Kombination von Beschleunigungssensor, Steuereinheit, Motor und Feder kann man auch als eine intelligente Rückholfeder betrachten, die sich optimal an den Wünschen des Fahrers anpassen lässt. Beispiel - ein „Bleifuß“ , der gern in Vollgasstellung verbleibt, lässt sich mit erhöhten Gegenkraft zur Vernunft bringen, auch andere Varianten sind denkbar und möglich.
• Der Adapter lässt sich auch bei vorhandenen Wagen ohne Probleme als selbständige Einheit einbauen, dafür ist gewöhnlich der Platz über den Pedalen bzw. unter dem Vordersitz ausreichend. Es ist nur eine Seilverbindung zum Fahrpedal und eine Kabelverbindung zur Batterie notwendig. Die Messung der Beschleunigung erfolgt mit einem Sensor, der im Gerät eingebaut ist.

Claims (4)

1. Adapter für Regler von Kraftmaschinen, mit Hilfe dessen ein Nutzer den Energiefluss (Strom, Benzin etc.) regelt, um einen bestimmten Effekt (z.B. Beschleunigung) zu erzielen; gekennzeichnet dadurch, dass beim Betätigen des Reglers in Richtung höhere Leistung der Nutzer eine erhöhte Gegenkraft (zusätzlich zu der Kraft der Rückholfeder) stemmen muss, deren anfängliche Größe direkt proportional zur durchgeführten Änderung ist, mit der Zeit aber je nach dem erzielten Resultat (z.B. positive Beschleunigung) schneller (bei großer) oder langsamer (bei kleiner) auf Null sinkt.
2. Adapter nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Gegenkraft mit Hilfe einer zwischen den Regler und einen Referenzpunkt mittels Seile (nur Zug möglich) geschalteten Feder erzeugt wird, wobei der Referenzpunkt auf der Federachse liegt und seine Lage aufgrund der erzielte Beschleunigung von einer Steuereinheit bestimmt wird, wobei eine Vergrößerung des Abstandes zwischen dem Referenzpunkt und dem Regler eine Vergrößerung der Gegenkraft verursacht und umgekehrt.
3. Adapter nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass bei negativer Beschleunigung (größere Last, wie z.B. bei Steigung oder beim Bremsen) die Gegenkraft neu generiert bzw. vergrößert wird, wodurch einerseits der Nutzer gewarnt und andererseits die Reaktion auf die folgende positive Beschleunigung vorbereitet wird, indem der Referenzpunkt in Richtung Leerlaufstellung bewegt wird.
4. Adapter nach Ansprüchen 1,2,3, gekennzeichnet dadurch, dass die individuellen Wünsche des Betreibers bezüglich der Reaktion des Adapters über Einstellungen in der Hardware und/oder durch veränderte Parameter in der Software leicht zu realisieren bzw. einzugeben sind.

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